산업용 응용 제품에 하이브리드 제어 네트워크를 구현하는 방법

석유 및 가스 정제소, 화학 공장, 액체 천연 가스 터미널 및 이와 유사한 시설과 같은 산업 단지는 규모가 방대하며, 운영 효율성 개선, 유연한 생산 지원, 비용 절감, 안전 운영 보장이라는 과제에 직면해 있습니다. 생산 공정의 연속성이라는 특징으로 인해 그 과제는 더욱 어려워집니다. 최적의 운영을 보장하기 위해, 이러한 시설의 산업 제어 네트워크는 수천 개의 위치에서 온도, 압력, 진동, 흐름 및 기타 파라미터를 지속적으로 모니터링해야 합니다. 네트워크는 수 km에 걸쳐 확장될 수 있으며, 저대역폭 센서부터 고대역폭 실시간 제어 및 안전 장치에 이르기까지 광범위한 장치를 지원하기 위해 다양한 구리 및 광섬유 데이터 통신 기술이 필요합니다.

이러한 다양한 요구 사항을 달성하기 위해 네트워크 엔지니어는 구리 및 다양한 유형의 광섬유 통신 장치의 최적 조합을 배포해야 하며, 이는 중복 전원, 광범위한 작동 온도 성능, 원격 모니터링 및 고급 보안 기능을 갖춘 소형 산업용 이더넷 스위치와 모두 연결되어야 합니다.

이 기사는 산업용 이더넷(IE)에 대한 간략한 개요로 시작하고, 하이브리드 광섬유/구리 데이터 통신 네트워크에 대한 필요성을 포함하며 특히 광섬유에 중점을 두고 설명합니다. 이 기사에서는 단일 모드(SM) 및 다중 모드(MM) 광섬유를 비교하고, 핫 플러그형 광섬유 모듈 표준과 광섬유 모듈의 디지털 진단 모니터링(DDM) 작동 방식을 알아본 다음, Cisco Systems, Phoenix Contact 및 Intelligent Network Solutions의 다양한 광섬유 데이터 통신 장치 및 Red Lion Controls의 강화된 IP40 인클로저에 구리 및 광섬유 포트가 혼합된 관리형 산업용 이더넷 스위치에 대해 소개합니다.

IE는 이더넷 프로토콜 사용을 기반으로 하며, 열악한 환경을 견딜 수 있도록 확장된 온도 범위 스위치 및 견고한 상호 연결을 사용합니다. IE는 실시간 제어 및 결정론을 지원할 수 있으며 EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET 및 Modbus TCP와 같은 다양한 통신 프로토콜을 사용하여 구현됩니다.

IE 네트워크는 레거시 시스템과 현재 시스템 간에 일정 수준의 상호 운용성을 제공하면서도 예측 가능한 성능을 제공하며, 손쉬운 유지 관리를 통해 가동 시간을 최대화할 것으로 기대됩니다. 구리와 광섬유 상호 연결의 조합은 보통 대규모 시설에서 사용됩니다. 해당하는 경우, 구리는 보다 저렴한 대안을 제공할 수 있습니다. 그러나 광섬유를 사용하면 전기 잡음과 관련된 문제가 줄어들고 전기적 분리가 제공되며, 대규모 및 분산된 산업 단지에서 특히 유용할 수 있는 훨씬 더 긴 상호 연결 길이를 지원합니다.

MM 광섬유와 SM 광섬유 비교

코어와 클래딩 사이의 광학 인덱스 불일치로 전반사가 발생하므로, 빛이 광섬유를 따라 이동합니다. 코어의 지름은 매우 중요하며, 이는 섬유에 들어가는 빛이 계속 전파될 수 있는 각도를 포함하는 원뿔 수용체를 정의합니다. SM 광섬유는 기본 모드라고 하는 전파 모드 하나만을 지원 가능한 소형 10µm 코어를 사용합니다. MM 광섬유는 빛의 작동 파장에 비해 코어 지름이 큽니다. 이와 같이 지름이 큰 코어는 정상파 패턴이라고도 불리는 빛의 여러 모드를 동시에 안내합니다(그림 1). ISO/IEC 11801 표준은 두 가지 코어 크기와 다양한 대역폭 특성(OM1, OM2, OM3, OM4 및 OM5)을 기반으로 MM 광섬유의 5가지 등급을 정의합니다. 광섬유 케이블은 코어 및 케이블의 지름에 따라 분류할 수 있습니다. 예를 들어 62.5/125µm은 OM1 MM을 의미합니다. 50/125μm 케이블은 OM2, OM3, OM4 및 OM5 MM에 사용되며 10/125μm는 SM 케이블의 예입니다.

그림 1: MM 광섬유는 비교적 지름이 크며, 동시에 여러 모드의 빛 전송을 지원할 수 있습니다. (이미지 출처: Cisco Systems)

MM 광섬유는 발광 다이오드(LED) 소스로 작동될 수 있지만, 고성능 설계에서는 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL)를 사용합니다. VCSEL을 사용하면 MM 광섬유 네트워크에서 멀티 기가비트 데이터 전송률이 제공됩니다.

MM 광섬유의 5가지 범주는 광파장(nm), 코어 지름(μm) 및 모달 대역폭을 기반으로 합니다. 모달 대역폭은 주어진 거리(km) 또는 주어진 신호 속도에 대한 최대 거리에 대한 최대 신호 속도(MHz)를 측정한 값으로, 대역폭과 거리를 곱한 값(MHz·km)입니다. 주어진 케이블의 경우, 거리가 절반으로 줄어들면 최대 신호 속도는 두 배가 됩니다. ISO/IEC 11801에서 정의된 MM 광섬유 등급은 다음과 같습니다.

• OM1: 850nm에서 최소 모달 대역폭이 200MHz·km인 62.5μm 코어
• OM2: 850nm에서 최소 모달 대역폭이 500MHz·km인 50μm 코어
• OM3: 850nm에서 최소 모달 대역폭이 2000MHz·km인 50μm 코어
• OM4: 850nm에서 최소 모달 대역폭이 4700MHz·km인 50μm 코어
• OM5: 850nm에서 최소 모달 대역폭이 4700MHz·km, 953nm에서 최소 모달 대역폭이 2470MHz·km인 50μm 코어

OM3 표준은 IEEE 802.3 10GbE 이더넷 표준을 지원하도록 설계되었습니다. VCSEL 변조와 함께 사용할 경우, OM3 MM 케이블은 최대 300m 거리에서 초당 10Gb/s를 제공할 수 있습니다. 대부분의 경우 OM3 MM 광섬유 링크는 최대 약 500m의 응용 제품을 위한 가장 비용 효율적인 솔루션입니다. OM4 MM 링크는 최대 1km의 거리를 지원할 수 있습니다. 더 먼 거리 및 더 높은 데이터 전송률을 위해서는 SM 광섬유를 사용해야 합니다.

구리 및 섬유용 SFP

소형 폼 팩터 플러그형(SFP) 인터페이스는 데이터 통신 및 전기 통신 네트워크에 사용되는 소형 핫 플러그형 네트워크 모듈 형식입니다. 이더넷 스위치와 같은 네트워킹 하드웨어의 SFP 인터페이스는 구리 또는 광섬유 케이블과 같은 미디어별 트랜시버를 위한 모듈식 슬롯입니다. SFP를 사용하면 필요에 따라 포트에 다양한 유형의 트랜시버를 장착할 수 있습니다. SFP는 이전에 개발된 더 큰 기가비트 인터페이스 컨버터(GBIC)를 대체했으며, '미니 GBIC'라고도 불립니다. 소형 폼 팩터 위원회는 다중 소스 계약인 MSA SFF-8472를 통해 폼 팩터, 기계적 인터록 및 전기 인터페이스를 지정했습니다(그림 2). 표준 SFP 인터페이스 외에도 최대 10Gbit/s의 SFP+ 및 25Gbit/s의 SFP28을 사용하여 더 빠른 속도를 달성할 수 있습니다.

그림 2: 래칭 및 연동 메커니즘과 광섬유 및 전기 연결이 특히 강조된 광섬유 SPF 모듈의 기계적 요소. (이미지 출처: Intelligent Network Solutions 및 Jeff Shepard)

동기식 광 네트워킹(SONET), 기가비트 이더넷, 파이버 채널, 수동 광 네트워킹(PON) 및 기타 통신 표준을 지원하는 SFP 광섬유 트랜시버가 제공됩니다.

디지털 진단 모니터링

MSA SFF-8472는 광섬유 트랜시버에 대한 DDM 기능도 정의합니다. DDM은 디지털 광 모니터링(DOM)이라고도 합니다. DDM을 통해 네트워크 관리자는 광 입력/출력 전력, 온도, 레이저 바이어스 전류 및 트랜시버 공급 전압을 실시간으로 모니터링할 수 있습니다(그림 3). DDM은 GBIC 사양에 정의된 직렬 ID 인터페이스의 확장입니다. DDM에는 작동 파라미터가 정상 작동을 위한 공장 설정을 벗어나는 경우 알림을 전송하는 경보 및 경고 플래그가 포함됩니다.

그림 3: DDM은 SFP 광 트랜시버의 성능을 모니터링하여 파라미터가 공칭 작동 범위를 벗어나는 경우 알림을 전송할 수 있습니다. (이미지 출처: Intelligent Network Solutions)

DDM은 최대 네트워크 가동 시간을 위해 장애를 예측하고 예방적 유지 관리를 지원하도록 설계됩니다. 트랜시버 제조업체는 다양한 파라미터에 대한 DDM 임계값을 설정합니다. 임계값을 초과하여 트랜시버를 작동하면 성능이 저하되며 잠재적으로 전송 오류가 발생할 수 있습니다. 트랜시버는 파라미터의 값이 지정된 임계값을 초과하는 경우 경보를 전송합니다. 또한 모듈은 데이터 전송을 중지하고 수신기는 메시지 수신을 거부합니다. 한 번에 여러 개의 경보가 발생하는 경우도 종종 발생합니다. 예를 들어 전송 광 출력이 너무 높으면 온도도 높을 수 있습니다.

사전 설정된 임계값을 초과하면 DDM이 시스템을 종료하고 보호하지만, 트랜시버의 작동 파라미터를 모니터링하여 운영자가 손상 수준을 초과하기 전에 잘못된 방향으로 움직이는 값을 볼 수 있도록 하는 데 사용하여 예정된 예방적 유지보수가 가능하도록 할 수도 있습니다.

MM 광섬유 및 1km 전송 거리

산업 제어 네트워크 설계자는 Phoenix Contact의 2891754 기가비트 SFP 모듈을 사용하여 850nm의 파장에서 작동하도록 설계된 광섬유를 사용하여 최대 1km의 전송을 지원할 수 있습니다(그림 4). 이 모듈은 산업용 응용 제품에 적합하며, 작동 온도 범위는 -40°C ~ 85°C이고 최대 습도는 95%입니다. 전송 거리는 사용된 광섬유에 따라 다릅니다.

• 275m: 62.5/125µm(OM1)
• 50m: 50/125µm(OM2)
• 800m: 50/125µm(OM3)
• 1000m: 50/125µm(OM4)

그림 4: 이 SFP 광 트랜시버는 850nm의 파장 및 OM4 케이블로 작동하는 경우 전송 거리가 1km입니다. (이미지 출처: DigiKey)

SM 광섬유로 20km 전송 거리

Intelligent Network Solutions의 INT 506724 SFP 모듈은 1310nm 레이저를 사용하여 단일 모드 9/125µm 섬유를 통해 최대 20km에서 1000Base-LX 데이터 전송을 지원합니다. 이 제품은 DDM을 지원하며, 금속 하우징은 전자기 간섭(EMI)을 줄이고 내구성을 높입니다(그림 5). 작동 온도 범위는 0°C ~ 70°C이고 상대 습도(RH) 10% ~ 85%로 정격되었습니다.

그림 5: Intelligent Network Solutions의 INT 506724 SFP 모듈은 1310nm 레이저를 사용하여 단일 모드 9/125µm 섬유를 통해 최대 20km에서 1000Base-LX 데이터 전송을 지원합니다. (이미지 출처: Intelligent Network Solutions)

10km SFP 트랜시버

Cisco의 SFP-10G-BXD-I 및 SFP-10G-BXU-I는 SM 광섬유로 작동하며, SFP+ 포트 연결 시 최대 10km의 전송 거리를 지원합니다. 이 트랜시버는 동일한 링크에서 10GBASE XENPAK, 10GBASE X2 및 10GBASE XFP 인터페이스와의 광 상호 운용성을 특징으로 하며, 실시간 성능을 모니터링하는 DOM 기능을 포함합니다. 사용되는 경우, SFP-10G-BXD-I는 항상 SFP-10G-BXU-I에 연결됩니다. SFP-10G-BXD-I는 1330nm 채널을 전송하고 1270nm 신호를 수신하며, SFP-10G-BXU-I는 1270nm 파장에서 전송하고 1330nm 신호를 수신합니다(그림 6).

그림 6: 이러한 광 트랜시버는 데이터 송수신에 서로 다른 파장을 사용합니다. (이미지 출처: Cisco Systems)

산업용 이더넷 관리형 스위치

4개의 SFP 콤보 포트가 포함된 8개의 포트를 제공하는 12포트 관리형 기가비트 이더넷 스위치와 Modbus 모니터링이 필요한 네트워크 엔지니어는 Red Lion의 Sixnet SLX-8MG-1을 사용할 수 있습니다. SLX-8MG-1은 4개의 SFP 콤보 포트(100Base 또는 1000Base 섬유 트랜시버 지원)와 함께 8개의 10/100/1000Base-T(X) 포트를 제공합니다. SLX-8MG는 열악한 산업 환경에서 사용할 수 있도록 슬림하고 강화된 금속 DIN-레일 인클로저에 하우징되어 있으며, 중복 10VDC ~ 30VDC의 전원 입력 및 -40°C ~ 75°C의 작동 온도 범위를 지원합니다. 또한 Modbus/TCP 원격 모니터링, 고급 보안 기능, 확장된 충격 및 진동 기능, 그리고 전기 잡음 및 서지에 대한 높은 수준의 내성을 포함합니다.

그림 7: SLX-8MG-1 관리형 기가비트 이더넷 스위치는 4개의 SFP 콤보 포트(왼쪽 상단)와 함께 8개의 10/100/1000Base-T(X) 포트를 제공합니다. (이미지 출처: Red Lion)

결론

하이브리드 광섬유 및 구리 네트워크는 운영 효율성을 개선하고, 유연한 생산을 지원하며, 비용을 절감하고, 석유 및 가스 정제소, 화학 공장과 같은 대규모의 산업 시설에서 안전한 운영을 보장하는 데 도움이 될 수 있습니다. 네트워크 엔지니어는 관리형 기가비트 이더넷 스위치를 사용하여 광섬유 및 구리 통신 링크를 혼합하여 배포할 수 있습니다. MM 및 SM 광섬유를 사용하면 최적의 모달 대역폭을 지원하고, DDM 기능을 포함하여 예방적 유지 관리를 통해 최대 네트워크 가동 시간을 보장할 수 있습니다.